白蛋白調(diào)控的鐵酚配位聚合物在腫瘤診療中的應(yīng)用

萬瑩 程玉瑩 母雪玲 蔡宇 田啟威 楊仕平

摘 ?要： 配位聚合物由于其獨(dú)特的理化性質(zhì)而備受關(guān)注，納米級配位聚合物更是由于其獨(dú)特的生物活性等而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域.鐵酚類配位聚合物由于具有較好的生物兼容性、較強(qiáng)的近紅外吸收性以及獨(dú)特的磁學(xué)性能而被廣泛研究. 因此，本課題組近年來通過白蛋白獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，仿生礦化合成了多種具有納米結(jié)構(gòu)的鐵酚類配位聚合物，研究了其磁共振成像（MRI）、光聲成像（PA）以及光熱治療功能，主要概述了白蛋白調(diào)控的鐵酚類配位聚合物的研究進(jìn)展，并進(jìn)一步探討了該研究工作的方向.

關(guān)鍵詞： 配位聚合物; 鐵酚配位聚合物; 磁共振成像（MRI）; 光聲成像（PA）; 抗癌治療

中圖分類號： O 614.81 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A ????文章編號： 1000-5137（2021）01-0014-07

Abstract： Coordination polymers have attracted much attention due to their unique physical and chemical properties，and nano-scale coordination polymers have been widely used in the field of biomedicine because of their unique biological activities. Iron phenolic coordination polymers have been extensively studied owing to their good biocompatibility，strong near-infrared absorption properties，and unique magnetic properties. Hence，in recent years，our group has synthesized a variety of iron phenolic coordination polymers with nanostructures through the unique structure of albumin by biomimetic mineralization. Meanwhile，the magnetic resonance imaging （MRI），photoacoustic imaging （PA），and photothermal therapy performance of the iron phenolic coordination polymer nanoparticles also were investigated. This paper mainly summarizes the research progress of our group in the coordination polymerization of iron phenols regulated by albumin，and further discusses the direction of this research work.

Key words： coordination polymers; iron phenolic coordination polymers; magnetic resonance imaging（MRI）; photoacoustic imaging（PA）; tumor therapy

0 ?前言

配位聚合物是指中心金屬離子和多齒配體通過自組裝的方法形成的一種有機(jī)無機(jī)雜化材料.配位聚合物由于物種、結(jié)構(gòu)具有多樣性，使其具有很多不同于無機(jī)或者有機(jī)材料的物理化學(xué)性質(zhì)，備受關(guān)注[1-2].配位聚合納米粒子是一種納米級配位聚合物，由于其生物相容性好、可生物降解、成分多樣和制備簡單等特點(diǎn)，被廣泛地用于診療一體化納米藥物平臺[3-4].因此，開發(fā)新型的配位聚合物納米結(jié)構(gòu)材料，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5].

茶多酚是一種多羥基酚化合物，也被稱為茶鞣質(zhì)或茶單寧，是茶葉中讓人感到澀口的物質(zhì)，在茶葉中含量較高，占茶葉干重質(zhì)量的16%～35%，也是決定茶葉風(fēng)味最主要的物質(zhì)[6].茶多酚由30多種酚類物質(zhì)組成，其中包含黃酮類（花黃素）、黃烷醇類（兒茶素類）、黃酮醇類、花青素類以及酚酸類等物質(zhì)，其中含量最高的物質(zhì)是兒茶素類及其衍生物[7].茶多酚由于具有抗氧化、抗病毒、殺菌、防癌抗癌、抗輻射、增強(qiáng)免疫機(jī)能、預(yù)防多種心血管以及降低血糖血脂等多種藥理作用，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和日用化妝品等產(chǎn)品[8].更為有意義的是茶多酚由于具有很多酚羥基結(jié)構(gòu)，可以和鐵（Fe）離子進(jìn)行配位，生成鐵酚類配位聚合物，該類聚合物不僅具有茶多酚的特殊作用，還具有鐵酚類配位聚合物的新性質(zhì)，如較強(qiáng)的近紅外吸收和特殊的磁學(xué)性能等[9].因此，開發(fā)基于鐵酚類納米級配位聚合物，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要的意義.

血清白蛋白（serum albumin，ALB）是脊椎動物血漿中含量最豐富的蛋白，具有安全無毒、可生物降解、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，其作為理想的藥物載體已受到廣泛關(guān)注[10].其中，牛血清白蛋白（BSA）更是由于其廉價(jià)易得，而被廣泛用于生物醫(yī)藥.牛血清白蛋白由583個(gè)氨基酸殘基組成，能有效絡(luò)合金屬離子，常被作為生物礦化劑，用于納米材料的仿生制備和調(diào)控[11-13].因此，白蛋白也被用于可控合成納米級鐵酚類配位聚合物，并作為一種生物兼容性好的納米平臺，被用于腫瘤的診斷和治療[14].基于此，本文概述了近年來本課題組在白蛋白調(diào)控制備鐵酚類配位聚合物的合成及其在腫瘤診斷和治療上的應(yīng)用，展望了該類材料的發(fā)展方向和臨床轉(zhuǎn)換應(yīng)用前景.

1 ?白蛋白調(diào)控的鐵酚類配位聚合物的合成

白蛋白對配位聚合物粒徑的調(diào)控主要是通過白蛋白獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及其大量具有很強(qiáng)配位能力的氨基酸殘基實(shí)現(xiàn)的.如圖1所示，首先通過白蛋白上的氨基酸殘基和Fe離子進(jìn)行配位，形成白蛋白-Fe配合物，隨后通過加入和Fe離子配位能力更強(qiáng)的茶多酚配體，將Fe離子從白蛋白上競爭下來，形成茶多酚-Fe配位聚合物.由于白蛋白獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)限制，茶多酚-Fe配位聚合物只能在白蛋白內(nèi)自組裝，進(jìn)而限制了茶多酚-Fe配位聚合物的生長，從而實(shí)現(xiàn)對其粒徑的調(diào)控.然后通過超濾離心，過濾掉沒有參與茶多酚等物質(zhì)，即可得到白蛋白包覆的茶多酚-Fe配位聚合物納米粒子，并將其應(yīng)用于生物醫(yī)藥.典型的制備方法如下：首先，稱取一定量的牛血清白蛋白于燒杯中，加入去離子水，并超聲溶解，得到無色澄清透明的牛血清白蛋白水溶液;然后，將三價(jià)鐵鹽在室溫磁力攪拌下，加入上述白蛋白溶液中，制得黃色Fe @ BSA配合物;隨后，加入茶多酚化合物，形成紫色的茶多酚配位聚合物;最后，將反應(yīng)混合溶液用100 kDa截留分子量的超濾管純化[15].

2 ?白蛋白-鐵酚類配位聚合物的生物應(yīng)用

2.1 白蛋白-沒食子酸鐵配位聚合物的生物應(yīng)用

沒食子酸（GA）是自然界存在的、結(jié)構(gòu)簡單的一種多酚類化合物，如圖2（a）所示，廣泛存在于掌葉大黃、大葉桉、山茱萸等植物中，在食品、生物、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[16].由于是多酚結(jié)構(gòu)，使其和Fe離子存在較強(qiáng)的配位作用，很容易形成沒食子酸-鐵配位聚合物，該配位聚合物有很強(qiáng)的近紅外吸收，能將近紅外光轉(zhuǎn)換成熱，用于光熱治療.同時(shí)，由于其對Fe離子的配位聚合作用，可以限制Fe離子對周圍水質(zhì)子的影響，可用于核磁共振成像（MRI）.因此，構(gòu)筑納米級沒食子酸-鐵配位聚合物納米平臺，可以實(shí)現(xiàn)對癌癥的核磁共振診斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光熱治療的功能.

BSA富含N-末端氨基和半胱氨酸殘基，而這些位點(diǎn)與過渡金屬Fe3+有強(qiáng)配位作用，通過向BSA水溶液加入氯化鐵（FeCl3）溶液構(gòu)筑Fe @ BSA配合物[15].其次，通過向Fe @ BSA配合物中加入GA單體，使GA基團(tuán)中的酚羥基和羧基與Fe3+螯合形成GA-Fe @ BSA配位聚合納米粒子.通過白蛋白調(diào)控，制備了粒徑僅有3.5 nm的GA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子（圖2）.該材料不僅具有良好的水溶性，同時(shí)還具有很好的生物兼容性.橫向弛豫率（r2）與縱向弛豫率（r1）之比（r2·r1-1）為1.06，較強(qiáng)的近紅外吸收使得該超小的納米粒子具有可同時(shí)實(shí)現(xiàn)MRI診斷和高效的光熱治療.盡管其具有增強(qiáng)的縱向弛豫（T1）造影性能，但是相對商業(yè)化的釓（Gd）基造影劑，仍然有不小的差距.因此，為了進(jìn)一步提高其MRI性能，利用紫杉醇具有組裝白蛋白的作用，將制備的超小GA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子進(jìn)行自組裝，不僅提高了GA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子的MRI性能，同時(shí)提高了癌癥的治療效果[17].因此，該類試劑具有一定的臨床應(yīng)用前景.

2.2 白蛋白調(diào)控的鞣花酸（EA）配位聚合物的生物應(yīng)用

由于增加酚的分子量，在與Fe離子的配位作用后，有可能提高M(jìn)RI的造影性能.基于此，選擇了沒食子酸的二聚衍生物——鞣花酸（結(jié)構(gòu)式如圖3上部），作為配體來制備多酚鐵配位聚合物，并探索其MRI造影性能.鞣花酸是廣泛存在于各種軟果、堅(jiān)果等植物組織中的一種天然多酚組分，鞣花酸與FeCl3的顯色反應(yīng)呈藍(lán)色，具有很強(qiáng)的特異性配位作用[18].

利用同樣的制備方法，通過BSA調(diào)控制備了粒徑為23 nm的EA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子（圖3）[19].該材料的r1=2.53 mmol-1?L?s-1，r2=3.10 mmol-1?L?s-1，r2·r1-1=1.23，相對GA-Fe @ BSA納米粒子的弛豫率提高了1倍多，具有更好的T1-加權(quán)MRI對比效果.盡管核磁共振被廣泛地應(yīng)用于臨床診斷，但是其固有的缺陷，如分辨率低、軟組織區(qū)分難度大等，仍然限制了其很多應(yīng)用.因此，開發(fā)基于MRI的多模式造影劑具有重要意義.EA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子具有很強(qiáng)的近紅外吸收效果，可以用于光聲造影劑.因此，該材料具有MRI和光聲雙模式造影功能.腫瘤小鼠模型也進(jìn)一步驗(yàn)證了該材料可用腫瘤的MRI和光聲雙模式影像診斷.

基于鐵離子的芬頓反應(yīng)近年來被廣泛應(yīng)用于腫瘤的化學(xué)動力學(xué)治療.EA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子的中心離子為鐵離子，不僅具有可用于化學(xué)動力學(xué)治療效果的芬頓反應(yīng)性能，同時(shí)還具有非常好的生物兼容性，但是其治療效果受限于Fe3+和Fe2+之間的轉(zhuǎn)換速率.因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能有效提高鐵離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換的策略對提高化學(xué)動力學(xué)治療效果具有重要的意義.基于此，將EA-Fe @ BSA配位聚合物納米粒子用于結(jié)腸癌的治療，利用結(jié)腸癌內(nèi)高表達(dá)的內(nèi)源性硫化氫強(qiáng)還原性，實(shí)現(xiàn)Fe3+到Fe2+之間的轉(zhuǎn)換，從而提高了芬頓反應(yīng)的性能，顯著提高了其對結(jié)腸癌的治療效果（圖4）[20].

2.3 白蛋白調(diào)控的鞣酸（TA）及其在腫瘤診療上的應(yīng)用

通過對比EA-Fe和GA-Fe配位聚合物的MRI造影性能，發(fā)現(xiàn)改變單體配合物的酚羥基數(shù)量能有效提高其MRI造影性能.因此，通過更換含有更多酚羥基的配體，可以進(jìn)一步提高其MRI造影效果，有望探尋出可以取代臨床使用的Gd基造影劑的鐵酚類造影劑.通過對比茶多酚結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鞣酸（結(jié)構(gòu)式如圖5所示）具有更多的酚羥基，是由五倍子中得到的一種鞣質(zhì)，被廣泛用于鞣革，因此也叫作皮革鞣制劑[21].

通過白蛋白，對TA-Fe配位聚合物進(jìn)行調(diào)控，制備了粒徑約為20 nm的TA-Fe @ BSA納米粒子.體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TA-Fe @ BSA納米粒子具有和GA-Fe @ BSA及EA-Fe @ BSA類似的性能，如粒徑小、性能穩(wěn)定、光熱性能優(yōu)異等特點(diǎn)，并且相較于GA-Fe @ BSA和EA-Fe @ BSA，TA-Fe @ BSA納米粒子在MRI性能上明顯提高.相對于商業(yè)化的馬根維顯（Gd-DTPA），TA-Fe @ BSA不僅具有同樣的MRI效果，還具有更好的體內(nèi)、體外生物兼容性.更為重要的是該試劑具有Gd造影劑不具備的治療功能，即光熱治療功能，能有效消除腫瘤，具有很好的應(yīng)用前景（圖5）[22].

3 ?結(jié)論和展望

鐵酚類配位聚合物納米粒子具有獨(dú)特的磁學(xué)性能和較強(qiáng)的近紅外吸收性能，使其不僅能作為MRI和光聲造影劑，還能通過光熱性能進(jìn)行腫瘤治療，因此具有一定的臨床應(yīng)用前景.由于Gd基MRI造影劑具有一定的腎毒性，使其應(yīng)用受到了限制，而具備相同性能的鞣酸鐵配位聚合物則無此限制，因此可以作為替代物用于臨床MRI造影.盡管鐵酚類配位聚合物具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是仍然有很多問題需要進(jìn)一步解決.如BSA調(diào)控的鐵酚類配位聚合物的結(jié)構(gòu)難以確定，導(dǎo)致MRI增強(qiáng)的性能和結(jié)構(gòu)的定性關(guān)系難以界定，無法探索出其構(gòu)效規(guī)律，也無法進(jìn)一步指導(dǎo)該類MRI造影劑的設(shè)計(jì).因此，亟需通過合理的設(shè)計(jì)，構(gòu)建出具有精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的鐵酚類配位聚合物，并探索其性能與結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系.隨著化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及檢測技術(shù)的發(fā)展，鐵酚類配位聚合物將有很好的臨床應(yīng)用前景.

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（責(zé)任編輯：郁慧）